什么是同步辐射R空间？
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同步辐射纳米成像技术是一种先进的显微技术，它利用同步辐射光源产生的高强度、高准直性X射线，结合先进的成像方法，能够实现纳米尺度的高分辨率成像。
这项技术可以提供样品内部结构和化学状态的详细信息，广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学和医学等多个领域。
同步辐射纳米成像方法的主要技术方案包括纳米分辨全场成像（几何放大成像、“透镜”放大成像）、纳米分辨相干衍射成像技术、纳米分辨探针扫描成像和纳米分辨相干衍射成像。
这些成像技术可以应用在不同的能量范围，又各具特色。下图给出了基于同步辐射装置的常用的X射线成像技术示意图，其中包含了同步辐射X射线显微CT成像(Micro-CT)、基于波带片的纳米分辨全场成像(transmission X-ray microscopy，TXM)、纳米分辨探针扫描成像(Nano-probe)、相干衍射成像(coherent diffraction imaging，CDI)和几何放大投影成像(Projection microscopy)。
同步辐射纳米分辨全场成像技术
几何放大投影成像技术通过聚焦元件将X射线汇聚，把样品置于焦点后方，借助光束的几何放大效应，在探测器上形成放大的图像。该技术的空间分辨率极限大致等同于聚焦光斑的尺寸。
聚焦元件在此成像方式中扮演着核心角色，常见的聚焦元件有波带片、K-B镜和复合折射透镜（CRL）等。目前，利用K-B镜聚焦已能实现十几纳米到几十纳米的聚焦光斑。
微聚焦几何放大成像能够运用更高能量的X射线，这在能量范围和穿透能力方面带来了显著优势，使其适用于多种类型的样品。依据所选用的聚焦元件，几何放大成像通常可使用的X射线能量高达数十千电子伏特。
然而，由于微聚焦几何放大成像的聚焦点尺寸一般处于几十纳米级别，焦点位置的稳定性对成像质量有着关键影响。因此，几何放大成像对光束线的主要光学元件和聚焦元件的稳定性提出了极高要求。
在国际上，采用这种技术的代表性光束线站有ESRF的ID16A和PETRA III的P10。
IRP，X射线物理研究所T. Salditt 团队提出了一种基于全息X射线成像、X射线扫描衍射和受激发射损耗（STED）显微镜的生物学相关显微镜方法。所有模态都组合到同一个同步加速器终端站中。
通过这种方式，细胞中标记和未标记的结构以互补的方式可视化。X射线全息成像利用高相干的X射线束和X射线波导，通过样品与参考波的干涉形成全息图，从而重建样品的相位或电子密度分布。
图b展示了X射线全息成像的相位重建结果，清晰地揭示了细胞内部的细丝状结构，这些结构与肌动蛋白细胞骨架相对应。这种技术的优势在于能够提供未标记生物分子的电子密度分布，从而补充荧光标记技术的不足。
DOI: 10.1038/s41467-018-05885-z
同步辐射纳米分辨探针扫描成像技术
同步辐射探针扫描成像也需要利用聚焦元件把X射线聚焦成很小的焦斑。但与几何放大成像不同的是，探针扫描成像样品放置在焦点处，通过逐点扫描方式获得样品的二维信息。
因此，探针扫描成像的空间分辨率极限就是其聚焦光斑的大小。探针扫描成像可以获得样品结构成像(吸收和相位信息)、荧光成像等信息，还可以和衍射、吸收谱等技术实现同时测量，获得样品的物相信息、元素信息等的空间分布。
聚焦元件是探针扫描成像技术中不可或缺的关键光学组件。目前，毛细管聚焦镜、菲涅尔波带片、复合折射透镜、K-B镜以及多层膜劳厄透镜等被广泛应用于聚焦元件。
其中，K-B镜和多层膜劳厄透镜在同步辐射硬X射线探针的应用中表现尤为突出，能够实现约10纳米级别的聚焦光斑尺寸。
探针扫描成像的原理是通过对样品进行逐点扫描来构建二维图像。在相同分辨率的前提下，扫描范围越大，需要扫描的点数也就越多。当进一步需要获取样品的三维信息时，数据采集时间会显著增加。
不过，通过合理选择分辨率（即聚焦光斑的大小）以及采用飞扫模式（fly-scan），可以有效缩短探针扫描成像采集三维数据的时间。此外，探针扫描成像还具备一项独特优势，即能够同时采集样品的结构、荧光、谱学等多种信息，这是其他成像方法难以实现的。
上海交通大学樊春海院士团队使用基于同步加速器的X射线显微镜对完整细胞进行成像。研究者将经过基因改造的过氧化物酶（APEX2）用作X射线遗传编码探针。
在哺乳动物细胞中，带有APEX2标签的特定蛋白质表达后，APEX2可以原位催化DAB单体形成X射线显微镜下可见的聚合物，从而实现成像。
使用新探针APEX2，研究者能够以25-30 nm的超高空间分辨率观察到细胞内多种蛋白质分子和亚细胞结构，其成像能力优于EGFP标记的荧光共聚焦显微镜，二者的半峰全宽（FWHM）分别约为20-30 nm和超过200 nm。
X射线标签具有优越的光稳定性，可以长时间观察细胞内和细胞间发生的分子事件。而利用X射线的高能量分辨性质，还可以实现对细胞内多种蛋白质的同时观测。该研究建立了一个高通用性的同步辐射细胞显微成像平台。
DOI: 10.1093/nsr/nwaa055
同步辐射纳米分辨相干衍射成像技术
同步辐射设施和X射线自由电子激光器提供的一代具有卓越相干性的明亮X射线源，推动了相干衍射成像（CDI）作为一种高分辨率无透镜成像技术的发展。与断层扫描术一起，CDI是一种强大的三维（3D）定量结构测定方法。
由于相干单色X射线的强穿透能力，可以在原位获得未染色生物材料的衍射图案。利用迭代相位恢复算法，可以在高分辨率下获得完整的3D结构。
通过使用CDI对生物样本进行全面和定量的成像，可以在纳米尺度上揭示表面和内部结构。与基于吸收强度的透射X射线显微术和STXM相比，CDI可以提供样品的高对比度图像。
上海科技大学范家东团队结合CDI对肽矿化的金团簇探针处理的金葡菌进行了分辨率约为47 nm的原位三维可视化成像。
作者首先对金团簇探针标记金葡菌进行了特异性表征。经探针处理的金葡菌表面显示明亮的红色荧光，而对照组、肽阻断组以及其他类细菌表面均未观察到明显荧光信号。之后，作者分析了金团簇探针对金葡菌的体外抗菌活性。
研究表明探针具有剂量依赖性的杀菌活性。该探针可以特异性地标记金葡菌，破坏细胞壁膜结构，诱导细胞内核酸和K+离子的泄漏。
作者基于最优条件（0.8 mM探针浓度）对金葡菌进行CDI研究，并利用相位恢复算法对衍射图样进行重构，发现对照组可以观测到特征衍射环，而在处理组的图像中无法辨认出任何特征衍射环，这表明金葡菌均匀的圆形形态受到破坏。
DOI：10.1021/acs.analchem.2c02638
同步辐射纳米分辨谱学成像
同步辐射纳米分辨谱学成像技术的核心在于其独特的数据结构和处理方式。它获取的数据是一系列具有空间分辨的X射线吸收谱，也可以视为一系列能量分辨的X射线透射图像。
通过分析不同能量下采集的图像上对应像素点的灰度值，可以获得基于该像素的吸收谱曲线，从而实现成分及价态空间分布信息的获取。
无论是采用何种成像装置进行谱学成像实验，其最终的数据处理和分析都需要融合X射线成像与光谱学的专业知识。由于样品的化学成分分布不均匀，X射线图像的每一个像素所对应的吸收谱都可能不同。
如果对样品中可能出现的化学组分有所预期，那么可以通过与标准谱线进行对比，得到定量的组分百分比，从而生成以颜色代表组分或价态的彩色X射线图像。
在这里，需要强调的是，图像中的颜色是基于吸收谱线分析得出的定量结果，具有明确的物理化学意义。
高能物理所多学科中心X射线成像实验站张凯副研究员和国内外课题组合作，利用同步辐射纳米谱学成像技术，深入研究了锂离子电池重要正极材料钴酸锂（LiCoO2），在原位条件下实时追踪单个电极颗粒的化学价态变化，随着充放电速率的波动，颗粒内部的化学价态呈现出重新分布的现象，这一发现揭示了钴酸锂电极颗粒可根据化学环境的改变灵活调整自身状态（图A）。
为进一步提升研究的统计可靠性，团队将目光投向软包电池内的众多 LiCoO₂ 颗粒，开展纳米尺度的谱学成像工作。
在短时间内，他们高效采集了上千万条 X 射线近边吸收谱，通过精准提取 X 射线近边吸收谱的特征值，并运用多种数据聚类算法，成功实现了海量谱图的快速分析与识别。
借此，他们不仅厘清了电池颗粒的结构、形貌与价态分布之间的内在联系，还首次在钴酸锂电池中直观捕捉到 Co 离子的溶解、金属 Co 的重新沉积，以及局部过渡嵌锂引发材料失效等关键现象（图B）。
这项工作为研究人员了解钴酸锂电池的性能衰减机制提供了有效的帮助，并对该材料的性能改善起到了重要指导作用。更重要的是，研究中所采用的大数据分析方法，对利用大科学装置开展的前沿研究的众多学科领域都具有重要的借鉴意义。
DOI：10.1021/acsenergylett.7b00263
DOI：10.1021/acs.nanolett.7b03985
总结
同步辐射纳米分辨谱学成像是一种先进的实验技术，它结合了纳米分辨全场成像和X射线光谱学，能够获取样品中元素及其价态的三维分布。
通过分析不同化学成分对X射线能量扫描的不同响应，该技术可同时提供样品的形貌和化学成分信息。数据处理需要融合成像与光谱学的专业知识，以生成具有明确物理化学意义的彩色图像，展示样品中不同组分或价态的分布。
此外，结合CT技术，还能揭示样品内部化学成分及价态的三维结构。在锂离子电池研究等领域，谱学成像技术已得到广泛应用，因其能同时提供高分辨率的三维形貌、化学价态和晶格结构信息，展现出巨大的应用潜力。